(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に使用されるセパレータであって、
平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域と、を有する基材と、
前記基材を被覆する炭素膜であって、前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄い炭素膜と、を備えるセパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のセパレータにおいて、
前記第１の領域を被覆する膜厚は、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、セパレータ。
【請求項３】
燃料電池であって、
膜電極接合体を含む発電体と、
請求項１または請求項２のいずれかに記載のセパレータと、を備える燃料電池。
【請求項４】
セパレータの製造方法であって、
平板状の金属部材により形成され、燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域とを有する基材を用意する工程と、
スパッタリングより前記基材に導電性の膜を形成するための成膜装置であって、前記基材を配置したときに、前記第１の領域と対向するターゲットの個数密度が第２の領域と対向するターゲットの個数密度よりも小さい成膜装置を用意する工程と、
前記基材を前記成膜装置に配置し、前記成膜装置によって前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄くなるように前記基材に膜を形成する工程と、を備える製造方法。
【請求項５】
セパレータの製造方法であって、
平板状の金属部材により形成され、燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域とを有する基材を用意する工程と、
プラズマＣＶＤ法より前記基材に導電性の膜を形成するための成膜装置であって、前記基材を配置したときに、前記第１の領域に対して供給される原料ガスの供給量が第２の領域に対して供給される原料ガスの供給量よりも小さい成膜装置を用意する工程と、
前記基材を前記成膜装置に配置し、前記成膜装置によって前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄くなるように前記基材に膜を形成する工程と、を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に使用されるセパレータ、燃料電池、および、セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池に使用される金属製のセパレータにおいて、金属の溶出を抑制するために金属製の基材の表面を炭素膜によって被覆する技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−００４５４０号公報
【特許文献２】特開２００５−００５１３７号公報
【特許文献３】特開２００３−０８６１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、例えば、基材の表面を被覆する膜部材は、膜厚が厚くなるほど金属の溶出を抑制できる反面、膜厚が厚くなるほど基材から剥離しやすくなり、剥離によって基材と膜部材との間の電気抵抗が増大するなどの問題があった。このように、金属製の基材を膜部材により被覆したセパレータの耐久性の向上を図る技術については、なお改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、金属製の基材を膜部材によって被覆したセパレータの耐久性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
［第１の形態］燃料電池に使用されるセパレータであって、平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域と、を有する基材と、前記基材を被覆する炭素膜であって、前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄い炭素膜と、を備えるセパレータ。この構成によれば、積層体と接触する第１の領域を被覆する炭素膜の膜厚が、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域を被覆する膜厚よりも薄いため、金属製の基材を炭素膜によって被覆したセパレータの耐久性の向上を図ることができる。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池に使用されるセパレータであって、
平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域と、を有する基材と、
前記基材を被覆する導電性の膜部材であって、前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄い膜部材と、を備えるセパレータ。
【０００８】
この構成によれば、積層体と接触する第１の領域を被覆する膜部材の膜厚が、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域を被覆する膜厚よりも薄いため、金属製の基材を膜部材によって被覆したセパレータの耐久性の向上を図ることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載のセパレータにおいて、
前記第１の領域を被覆する膜厚は、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、セパレータ。
【００１０】
この構成によれば、膜部材の剥離を抑制しつつ基材からの金属の溶出を抑制できるため、金属製の基材を膜部材によって被覆したセパレータの耐久性の向上を図ることができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載のセパレータにおいて、
前記膜部材は、炭素膜である、セパレータ。
【００１２】
この構成によれば、金属製の基材を炭素膜によって被覆したセパレータの耐久性の向上を図ることができる。
【００１３】
［適用例４］
燃料電池であって、
膜電極接合体を含む発電体と、
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載のセパレータと、を備える燃料電池。
【００１４】
この構成によれば、金属製のセパレータを有する燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。
【００１５】
［適用例５］
セパレータの製造方法であって、
平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域とを有する基材を用意する工程と、
スパッタリングより前記基材に導電性の膜を形成するための成膜装置であって、前記基材を配置したときに、前記第１の領域と対向するターゲットの個数密度が第２の領域と対向するターゲットの個数密度よりも小さい成膜装置を用意する工程と、
前記基材を前記成膜装置に配置し、前記成膜装置によって前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄くなるように前記基材に膜を形成する工程と、を備える製造方法。
【００１６】
この構成によれば、スパッタ法を用いて、積層体と接触する第１の領域を被覆する膜部材の膜厚が、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域を被覆する膜厚よりも薄いセパレータを容易に製造することができる。
【００１７】
［適用例６］
セパレータの製造方法であって、
平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域とを有する基材を用意する工程と、
プラズマＣＶＤ法より前記基材に導電性の膜を形成するための成膜装置であって、前記基材を配置したときに、前記第１の領域に対して供給される原料ガスの供給量が第２の領域に対して供給される原料ガスの供給量よりも小さい成膜装置を用意する工程と、
前記基材を前記成膜装置に配置し、前記成膜装置によって前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄くなるように前記基材に膜を形成する工程と、を備える製造方法。
【００１８】
この構成によれば、プラズマＣＶＤ法を用いて、積層体と接触する第１の領域を被覆する膜部材の膜厚が、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域を被覆する膜厚よりも薄いセパレータを容易に製造することができる。
【００１９】
［適用例７］
セパレータの製造方法であって、
平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域とを有する基材を用意する工程と、
プラズマＣＶＤ法より前記基材に導電性の膜を形成するための成膜装置であって、前記基材を配置したときに、前記第１の領域に対する前記第１の領域と対向する陽極の面積比率が前記第２の領域に対する前記第２の領域と対向する陽極の面積比率よりも小さい成膜装置を用意する工程と、
前記基材を前記成膜装置に配置し、前記成膜装置によって前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄くなるように前記基材に膜を形成する工程と、を備える製造方法。
【００２０】
この構成によれば、プラズマＣＶＤ法を用いて、積層体と接触する第１の領域を被覆する膜部材の膜厚が、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域を被覆する膜厚よりも薄いセパレータを容易に製造することができる。
【００２１】
［適用例８］
セパレータの製造方法であって、
平板状の金属部材により形成され、前記燃料電池に使用されたときに、膜電極接合体を含む積層体と接触する第１の領域と、前記第１の領域と重ならない第２の領域であって、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域とを有する基材を用意する工程と、
プラズマＣＶＤ法より前記基材に導電性の膜を形成するための成膜装置であって、前記基材を配置したときに、前記第２の領域と対向する位置に磁場を発生させるための磁場発生部を有する成膜装置を用意する工程と、
前記基材を前記成膜装置に配置し、前記成膜装置によって前記第１の領域を被覆する膜厚が前記第２の領域を被覆する膜厚よりも薄くなるように前記基材に膜を形成する工程と、を備える製造方法。
【００２２】
この構成によれば、プラズマＣＶＤ法を用いて、積層体と接触する第１の領域を被覆する膜部材の膜厚が、ガスマニホールドを形成するための開口部を内包する第２の領域を被覆する膜厚よりも薄いセパレータを容易に製造することができる。
【００２３】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、適用例１に記載のセパレータを有する燃料電池システムや、基材に膜部材を形成する成膜装置、膜部材により基材を被覆するときの被覆方法、適用例１に記載のセパレータを有する燃料電池の製造方法、および、これらの方法を装置に実行させるための制御プログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施例に係る燃料電池の断面構成を例示した説明図である。
【図２】セパレータの概略構成を説明するための説明図である。
【図３】炭素膜の膜厚と抵抗増加率との関係を示した説明図である。
【図４】炭素膜の膜厚と基材からの金属の溶出量との関係を示した説明図である。
【図５】スパッタ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する方法を説明するための説明図である。
【図６】プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する第１の方法を説明するための説明図である。
【図７】プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する第２の方法を説明するための説明図である。
【図８】プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する第３の方法を説明するための説明図である。
【図９】第２実施例に係る燃料電池の断面構成を例示した説明図である。
【図１０】第２実施例に係るセパレータの概略構成を説明するための説明図である。
【図１１】変形例１に係るセパレータの概略構成を説明するための説明図である。
【図１２】変形例２に係るセパレータの概略構成を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２６】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１の実施例に係る燃料電池の断面構成を例示した説明図である。本実施例に係る燃料電池１００は、水素および空気の供給を受け、電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。
【００２７】
燃料電池１００は、シール部材一体型ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）２００と、セパレータ３１０、３３０と、ガス拡散層４１０、４３０と、ガス流路形成部材５１０、５３０とを備えている。燃料電池１００は、シール部材一体型ＭＥＡ２００のアノード側にガス拡散層４１０、ガス流路形成部材５１０、および、セパレータ３１０を順に積層した構成を備え、カソード側にガス拡散層４３０、ガス流路形成部材５３０、および、セパレータ３３０を順に積層した構成を備えている。
【００２８】
シール部材一体型ＭＥＡ２００は、ＭＥＡ２１０とシール部材２２０とを備え、略長方形状のＭＥＡ２１０の外周に、枠状のシール部材２２０が形成されている。ＭＥＡ２１０は、電解質膜２１２の一方の面にアノード２１４、他方の面にカソード２１５を備えている。
【００２９】
電解質膜２１２は、プロトン伝導性の固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ(登録商標))により構成されている。なお、高分子電解質膜としては、Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）、フレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いてもよい。また、例えば、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いてもよい。また、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜を用いてもよい。
【００３０】
アノード２１４およびカソード２１５は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。導電性担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を用いることができる。
【００３１】
シール部材２２０は、シリコーンゴムを用いて射出成形により形成されている。シール部材２２０は、図１に示されている冷却水供給用貫通孔２２５と、冷却水排出用貫通孔２２６のほか、図示しない、アノードガス供給用貫通孔と、アノード排ガス排出用貫通孔と、カソードガス供給用貫通孔と、カソード排ガス排出用貫通孔とを備えている。また、表面に反応ガスの漏洩を防止するためのシールラインＳＬが形成されている。各貫通孔は、セパレータ３１０、３３０にそれぞれ形成された貫通孔と共に、反応ガスおよび冷却水を給排するためのマニホールドを構成する。
【００３２】
ガス拡散層４１０、４３０は、電極反応に用いられる反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）を電解質膜２１２の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。また、ガス拡散層４１０、４３０は、撥水性を得るために、拡散層用基材が、撥水ペーストによりコーティング（撥水処理）され、図示しない撥水層が形成されている。なお、撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）との混合溶液を用いることができる。撥水層は、拡散基礎層よりも微細な気孔を有するいわゆるＭＰＬ層（Micro Porous Layer）である。撥水層は、微細な気孔における毛細管現象を利用して、電気化学反応で生じた生成水を拡散基礎層へと排出する役割を果たす。
【００３３】
ガス流路形成部材５１０、５３０は、発泡焼結金属体等の導電性多孔体により構成されている。本実施例では、チタン発泡焼結金属体を用いているが、ステンレス、ニッケルもしくは銅等の発泡金属を用いてもよい。また、ガス流路形成部材５１０、５３０は、発泡焼結金属体に限られず、例えば、ステンレス鋼により形成されたエキスパンドメタルや、撥水加工が施されたカーボンフェルト等であってもよい。また、これらの組み合わせにより構成されていてもよい。
【００３４】
セパレータ３１０、３３０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。セパレータ３１０は、主面の一方（図１上方側）がガス流路形成部材５１０と接触し、他方（図１下方側）が図示しないガス流路形成部材と接触している。セパレータ３３０は、主面の一方（図１下方側）がガス流路形成部材５３０と接触し、他方（図１上方側）が図示しないガス流路形成部材と接触している。セパレータ３１０、３３０は、それぞれ、後述するマニホールドを形成するための複数の開口部を備えている。セパレータ３１０、３３０の具体的な形状や構成については、図２を用いて詳述する。
【００３５】
燃料電池１００に供給された水素は、図示しないアノードガス供給マニホールドからガス流路形成部材５１０を通って、ガス拡散層４１０に流入し、ガス拡散層４１０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった水素を含むアノード排ガスは、ガス流路形成部材５１０から図示しないアノード排ガス排出マニホールドに排出され、カソード排ガス排出マニホールドを通って燃料電池１００の外へ排出される。
【００３６】
また、燃料電池１００に供給された空気は、図示しないカソードガス供給マニホールドからガス流路形成部材５３０を通って、ガス拡散層４３０に流入し、ガス拡散層４３０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった空気を含むカソード排ガスは、ガス流路形成部材５３０から図示しないカソード排ガス排出マニホールドに排出され、カソード排ガス排出マニホールドを通って燃料電池１００の外へ排出される。
【００３７】
図２は、セパレータの概略構成を説明するための説明図である。本実施例のセパレータ３１０とセパレータ３３０は同じ形状を有しているため、ここでは、セパレータ３１０の概略構成についてのみ説明する。図２（ａ）は、セパレータ３１０の平面形状を例示した説明図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面を例示した説明図である。
【００３８】
セパレータ３１０は、金属製の基材３１８と、基材３１８の表面を被覆する炭素膜３１７とを備えている。基材３１８は、略矩形形状を有するステンレス鋼やチタン、アルミニウム、銅などの金属の薄板により形成されている。基材３１８は、１枚の薄板により形成されていてもよいし、複数の薄板を積層して形成されていてもよい。基材３１８は、その両端部にマニホールドを構成するための複数の開口部（貫通孔）が形成されている。具体的には、基材３１８には、アノードガス供給マニホールドを構成するためのアノードガス供給用貫通孔３１１と、アノード排ガス排出マニホールドを構成するためのアノード排ガス排出用貫通孔３１２と、カソードガス供給マニホールドを構成するためのカソードガス供給用貫通孔３１３と、カソード排ガス排出マニホールドを構成するためのカソード排ガス排出用貫通孔３１４と、冷却水供給マニホールドを構成するための冷却水供給用貫通孔３１５と、冷却水排出マニホールドを構成するための冷却水排出用貫通孔３１６が形成されている。
【００３９】
基材３１８は、その主面上に接触領域Ａｔと、第１の開口部領域Ａｏ１と、第２の開口部領域Ａｏ２とを備えている。本実施例の接触領域Ａｔは、特許請求の範囲における「第１の領域」に該当する。また、第１の開口部領域Ａｏ１や第２の開口部領域Ａｏ２は、特許請求の範囲における「第２の領域」に該当する。
【００４０】
接触領域Ａｔは、基材３１８が燃料電池１００に使用されたときに電子伝導性を要する領域であり、ここではガス流路形成部材５１０、５３０と接触する領域である。本実施例の基材３１８は、主面の一方がガス流路形成部材５１０と接触し、他方の面が図示しないガス流路形成部材と接触するため、両方の主面に接触領域Ａｔが設定されている。
【００４１】
第１の開口部領域Ａｏ１および第２の開口部領域Ａｏ２は、接触領域Ａｔと重ならない領域であって、上述した貫通孔３１１〜３１６のうちの１以上の貫通孔を内包する領域である。本実施例では、第１の開口部領域Ａｏ１は、アノードガス供給用貫通孔３１１と、カソード排ガス排出用貫通孔３１４と、冷却水排出用貫通孔３１６とを内包する領域である。また、第２の開口部領域Ａｏ２は、アノード排ガス排出用貫通孔３１２と、カソードガス供給用貫通孔３１３と、冷却水供給用貫通孔３１５とを内包する領域である。以後、第１の開口部領域Ａｏ１および第２の開口部領域Ａｏ２を併せて単に、開口部領域Ａｏとも呼ぶ。
【００４２】
開口部領域Ａｏは、貫通孔３１１〜３１６のうちの１以上の貫通孔を内包し、接触領域Ａｔと重ならない領域であれば任意の範囲として設定することができる。例えば、開口部領域Ａｏは、内包する貫通孔に外接する矩形の領域として設定してもよいし、内包する貫通孔から所定の距離離れた位置に領域の境界が設定されてもよい。本実施例の基材３１８は、両方の主面に開口部領域Ａｏが設定されている。
【００４３】
炭素膜３１７は、アモルファス構造またはグラファイト構造を有する導電性の薄膜であり、後述するスパッタリングやプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング等によって基材３１８に蒸着されている。炭素膜３１７には、炭素原子のほかに水素原子や窒素原子が含まれていてもよい。本実施例の炭素膜３１７は、基材３１８上において、接触領域Ａｔを被覆する膜厚ｔｎが、開口部領域Ａｏを被覆する膜厚ｔｋよりも薄く（ｔｎ＜ｔｋ）なるように形成されている。また、炭素膜３１７は、接触領域Ａｔを被覆する膜厚ｔｎが５ｎｍ〜４００ｎｍの範囲（５ｎｍ＜ｔｎ＜ｔｋ＜４００ｎｍ）となるように、より好ましくは、２５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲（２５ｎｍ＜ｔｎ＜ｔｋ＜１００ｎｍ）となるように形成されている。
【００４４】
図３は、炭素膜の膜厚と抵抗増加率との関係を示した説明図である。接触領域Ａｔを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｎと、炭素膜３１７の剥離によって生じる電気抵抗との関係を示すために、膜厚ｔｎの異なる７つのセパレータに対して加速耐久試験をおこない、試験の前後における抵抗値の変化（増加率）を調べた。使用したセパレータの膜厚ｔｎは、概ね２５ｎｍ、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、７００ｎｍの７通りとなるようにした。
【００４５】
図３では、加速耐久試験後の電気抵抗の増加率、ここでは試験前の抵抗値に対する試験後の抵抗値の増加量をそれぞれ示した。図３に示すように、
（１）膜厚ｔｎが概ね２５ｎｍ〜１００ｎｍのとき、電気抵抗の増加率は２０％程度
（２）膜厚ｔｎが概ね２００ｎｍのとき、電気抵抗の増加率は３０％程度
（３）膜厚ｔｎが概ね４００ｎｍのとき、電気抵抗の増加率は６０％程度
（４）膜厚ｔｎが概ね７００ｎｍのとき、電気抵抗の増加率は１６０％程度
と膜厚ｔｎが厚くなるほど試験後の電気抵抗の増加率が大きくなった。これは、膜厚ｔｎが厚くなるほど、炭素膜３１７の内部の残留応力が大きく剥離しやすいためであると考えられる。図３の結果から、接触領域Ａｔを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｎは、概ね４００ｎｍ以下とすることが望ましいといえる。こうすることにより、電気抵抗の増加率を６０％程度以下とすることができるためである。なお、膜厚ｔｎの下限値としては、成膜の実施可能性を考慮して、概ね５ｎｍ以上であることが望ましい。また、炭素膜３１７の膜厚ｔｎを概ね２５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲とすることがさらに望ましいといえる。こうすることにより、電気抵抗の増加率を２０％程度以下とすることができるためである。
【００４６】
図４は、炭素膜の膜厚と基材からの金属の溶出量との関係を示した説明図である。開口部領域Ａｏを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｋと基材３１８からの金属の溶出量との関係を示すために、膜厚ｔｋの異なる７つのセパレータに対して加速耐久試験をおこない、試験後の金属の溶出量を調べた。使用したセパレータの膜厚ｔｋは、概ね２５ｎｍ、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、７００ｎｍの７通りとなるようにした。
【００４７】
図４では、加速耐久試験後の金属の溶出量を膜厚ｔｋが２００ｎｍのときの金属の溶出量を１としたときの比率としてそれぞれ示した。図４に示すように、炭素膜３１７の膜厚ｔｋが厚くなるほど金属の溶出量が減少することがわかる。これは、膜厚ｔｋが厚くなるほど、炭素膜３１７に形成されるピンホールの数が減少して金属の溶出が抑制されるためであると考えられる。図４からわかるように、開口部領域Ａｏを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｋは厚いほど金属の溶出が抑制される。
【００４８】
金属製のセパレータは、導電性や加工性に優れる反面、発電によって生じる生成水の中に含まれているフッ素イオン（Ｆ−）などのハロゲンイオンや、硫酸イオン（ＳＯ４２−）などによって金属の溶出が生じることがあった。この生成水は、マニホールドを介して排出されるため、セパレータ３１０の貫通孔付近（開口部領域Ａｏ付近）では、特に、金属の溶出が生じることがあった。金属の溶出が生じると、溶出した金属がマニホールドに堆積してガス等の流通が阻害されたり、溶出した金属によってガスケットが腐食しマニホールドの気密性が損なわれたり、溶出によってセパレータに損傷が生じたり、溶出した金属によって触媒層が被毒するなどによって、燃料電池の耐久性や発電性能が低下する問題があった。
【００４９】
本実施例のセパレータ３１０は、基材３１８の表面に炭素膜３１７が形成されているため、生成水と基材３１８との接触を低減して、基材３１８からの金属の溶出を抑制することができる。特に、本実施例のセパレータ３１０は、マニホールドを構成する貫通孔付近の開口部領域Ａｏを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｋが、接触領域Ａｔを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｎよりも厚くなるように構成されているため、金属が溶出しやすい貫通孔付近における金属の溶出をより抑制して、セパレータの耐久性の向上を図ることができる。
【００５０】
一方、炭素膜３１７は、基材３１８に蒸着したときに、内部の残留応力が生じることがあった。この残留応力によって炭素膜３１７が基材３１８から剥がれると、炭素膜３１７と基材３１８との間の電気抵抗（接触抵抗）が増大することがあった。
【００５１】
このことから、本実施例のセパレータ３１０は、燃料電池１００に使用されたときに電子伝導性を要する接触領域Ａｔを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｎが、電子伝導性を要しない開口部領域Ａｏを被覆する膜厚ｔｋよりも薄くなるように構成されているため、電子伝導性を要する領域において、炭素膜３１７の剥離による電気抵抗の増大を抑制することができる。
【００５２】
すなわち、本実施例のセパレータ３１０は、電子伝導性を要する接触領域Ａｔでは、膜厚保を相対的に薄くすることにより、炭素膜３１７の剥離による電気抵抗の増大を抑制しつつ金属の溶出を抑制し、金属が溶出しやすい開口部領域Ａｏでは、膜厚保を相対的に厚くすることにより、金属の溶出をより抑制するように構成されているため、耐久性の向上を図ることができる。
【００５３】
図５は、スパッタ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する方法を説明するための説明図である。スパッタリング装置７００は、スパッタリングによって基材３１８に炭素膜３１７を蒸着させるための装置である。スパッタリング装置７００において、炭素膜の原料となるターゲット７１０の配置分布を基材３１８に対して変化させることにより、基材３１８に蒸着する炭素膜の膜厚に差異を形成することができる。具体的には、開口部領域Ａｏに対向するターゲット７１０の個数密度を接触領域Ａｔに対向するターゲット７１０の密度個数より多くすることによって、開口部領域Ａｏの膜厚ｔｋを接触領域Ａｔの膜厚ｔｎよりも厚くすることができる。
【００５４】
スパッタ法において炭素膜の膜厚の差異を形成するその他の方法として、例えば、開口部領域Ａｏへのターゲット電流を、接触領域Ａｔへのターゲット電流より大きくすることによって、開口部領域Ａｏの膜厚ｔｋを接触領域Ａｔの膜厚ｔｎよりも厚くすることができる。また、例えば、開口部領域Ａｏと対向するターゲット７１０から開口部領域Ａｏまでの距離を、接触領域Ａｔと対向するターゲット７１０から接触領域Ａｔまでの距離よりも小さくすることによって、開口部領域Ａｏの膜厚ｔｋを接触領域Ａｔの膜厚ｔｎよりも厚くすることができる。
【００５５】
図６は、プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する第１の方法を説明するための説明図である。プラズマＣＶＤ成膜装置８００は、プラズマＣＶＤ法によって基材３１８に炭素膜３１７を蒸着させるための装置であって、チャンバー８１０と、ガス導出部８１５と、ガス供給部８２０と、陽極板８３０と、直流電源８４０とを備えている。プラズマＣＶＤ成膜装置８００は、開口部領域Ａｏのプラズマ密度を、接触領域Ａｔのプラズマ密度よりも高くすることによって、開口部領域Ａｏの膜厚ｔｋを接触領域Ａｔの膜厚ｔｎよりも厚くすることができる。プラズマ密度を変化させる方法としては以下の方法がある。
【００５６】
図６に示すように、プラズマＣＶＤ成膜装置８００のガス供給部８２０を制御して、開口部領域Ａｏに供給される原料ガスの供給量を、接触領域Ａｔに供給される原料ガスの供給量よりも多くすることによって、開口部領域Ａｏのプラズマ密度を、接触領域Ａｔのプラズマ密度よりも高くすることができる。
【００５７】
図７は、プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する第２の方法を説明するための説明図である。図７に示すプラズマＣＶＤ成膜装置８００ｂのように、開口部領域Ａｏと対向する陽極板８３０の面積を相対的に大きくし、接触領域Ａｔと対向する陽極板８３０の面積を相対的に小さくすることによって、開口部領域Ａｏのプラズマ密度を、接触領域Ａｔのプラズマ密度よりも高くすることができる。具体的には、
（１）開口部領域Ａｏの面積をＳａｏ
（２）開口部領域Ａｏと対向する陽極板８３０の面積をＳｐｏ
（３）接触領域Ａｔの面積をＳａｔ
（４）接触領域Ａｔと対向する陽極板８３０の面積をＳｐｔ
とすると、比率（Ｓｐｏ／Ｓａｏ）を比率（Ｓｐｔ／Ｓａｔ）よりも大きくすることによって、開口部領域Ａｏのプラズマ密度を、接触領域Ａｔのプラズマ密度よりも高くすることができる。
【００５８】
図８は、プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成する第３の方法を説明するための説明図である。図８に示すプラズマＣＶＤ成膜装置８００ｃのように、開口部領域Ａｏと対向する陽極板８３０にマグネットなどの磁気発生部８５０を取り付けることにより、開口部領域Ａｏのプラズマ密度を、接触領域Ａｔのプラズマ密度よりも高くすることができる。具体的には、磁気発生部８５０は、陽極板８３０に沿って、Ｎ極とＳ極とを交互に配置した構成を備えているため、陽極板８３０に沿って磁場を発生させて陽極板８３０付近に電子を集めることができる。磁気発生部８５０が陽極板８３０付近に電子を集めることによって、磁気発生部８５０と対向する陰極側の開口部領域Ａｏのプラズマ密度を高くすることができる。
【００５９】
プラズマＣＶＤ法において炭素膜の膜厚の差異を形成するその他の方法として、例えば、開口部領域Ａｏと対向する陽極板８３０から開口部領域Ａｏまでの距離を、接触領域Ａｔと対向する陽極板８３０から接触領域Ａｔまでの距離よりも小さくすることによって、開口部領域Ａｏの膜厚ｔｋを接触領域Ａｔの膜厚ｔｎよりも厚くすることができる。
【００６０】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例に係る燃料電池の断面構成を例示した説明図である。図９は、第１実施例の図１に対応している。第２実施例の燃料電池１００ａと第１実施例の燃料電池１００（図１）との違いは、第２実施例の燃料電池１００ａは、ガス流路形成部材５１０、５３０（図１）を備えず、セパレータ３１０ａ、３３０ａにリブ３２０、３４０を備えている点である。
【００６１】
セパレータ３１０ａは、ガス拡散層４１０と接触する面に複数の凹凸状のリブ３２０が形成されている。同様に、セパレータ３３０ａは、ガス拡散層４３０と接触する面に複数の凹凸状のリブ３４０が形成されている。セパレータ３１０ａおよびセパレータ３３０ａが、ＭＥＡ２１０、および、ガス拡散層４１０、４３０を両側から挟み込むことによって、アノードガスとしての水素、カソードガスとしての空気が流れる流路がそれぞれ形成される。
【００６２】
燃料電池１００に供給された水素は、図示しないアノードガス供給マニホールドを通り、セパレータ３１０ａのリブ３２０によって形成される流路を通って、ガス拡散層４１０に流入し、ガス拡散層４１０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった水素を含むアノード排ガスは、図示しないアノード排ガス排出マニホールドに排出され、アノード排ガス排出マニホールドを通って燃料電池１００の外へ排出される。
【００６３】
燃料電池１００に供給された空気は、図示しないカソードガス供給マニホールドを通り、セパレータ３３０ａのリブ３４０によって形成される流路を通って、ガス拡散層４３０に流入し、ガス拡散層４３０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった空気を含むカソード排ガスは、図示しないカソード排ガス排出マニホールドに排出され、カソード排ガス排出マニホールドを通って燃料電池１００の外へ排出される。
【００６４】
図１０は、第２実施例に係るセパレータの概略構成を説明するための説明図である。図１０は、第１実施例の図２に対応している。第２実施例の接触領域Ａｔは、ガス拡散層４１０、４３０と直接接触するリブ領域Ａｔ１と、ガス拡散層４１０、４３０との間でガス流路を形成するガス流路領域Ａｔ２とを含んでいる。リブ領域Ａｔ１はリブ３２０の頂部に形成される領域であり、ガス流路領域Ａｔ２はリブ３２０とリブ３２０との間に形成される領域である。なお、本実施例では接触領域Ａｔは、リブ領域Ａｔ１とガス流路領域Ａｔ２とを含むものとしたが、接触領域Ａｔは、リブ領域Ａｔ１のみを含み、ガス流路領域Ａｔ２を含まない構成であってもよい。
【００６５】
炭素膜３１７は、第１実施例と同様に、基材３１８上において、接触領域Ａｔを被覆する膜厚ｔｎが、開口部領域Ａｏを被覆する膜厚ｔｋよりも薄く（ｔｎ＜ｔｋ）なるように形成されている。また、炭素膜３１７は、接触領域Ａｔを被覆する膜厚ｔｎが５ｎｍ〜４００ｎｍの範囲（５ｎｍ＜ｔｎ＜ｔｋ＜４００ｎｍ）となるように、より好ましくは、２５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲（２５ｎｍ＜ｔｎ＜ｔｋ＜１００ｎｍ）となるように形成されている。
【００６６】
第２実施例のセパレータ３１０ａは、電子伝導性を要するリブ領域Ａｔ１を含む接触領域Ａｔでは、膜厚保を相対的に薄くすることにより、炭素膜３１７の剥離による電気抵抗の増大を抑制しつつ金属の溶出を抑制し、金属が溶出しやすい開口部領域Ａｏでは、膜厚保を相対的に厚くすることにより、金属の溶出をより抑制するように構成されているため、耐久性の向上を図ることができる。
【００６７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６８】
Ｃ−１．変形例１：
図１１は、変形例１に係るセパレータの概略構成を説明するための説明図である。図１１は、第１実施例の図２に対応している。第１〜２実施例では、セパレータ３１０は、第１の開口部領域Ａｏ１と第２の開口部領域Ａｏ２の２つの開口部領域Ａｏが設定されているものとして説明したが、開口部領域Ａｏの数には制限はなく、図１１に示すセパレータ３１０ｂのように、１つの開口部領域Ａｏのみを設定してもよいし、３つ以上の開口部領域Ａｏを設定してもよい。また、開口部領域Ａｏは、内包する貫通孔の数に制限はなく、例えば、図１１のセパレータ３１０ｂように、１つの開口部領域Ａｏに全ての貫通孔を内包するように設定してもよいし、貫通孔ごとに開口部領域Ａｏを設定してもよい。
【００６９】
Ｃ−２．変形例２：
図１２は、変形例２に係るセパレータの概略構成を説明するための説明図である。図１２は、第１実施例の図２に対応している。第１〜２実施例では、セパレータ３１０は、基材３１８に形成されたすべての貫通孔が内包されるように開口部領域Ａｏが設定されているが、図１２に示すセパレータ３１０ｃのように、一部の貫通孔が開口部領域Ａｏに内包されていなくてもよい。特に、生成水が流入する虞の少ない貫通孔については、開口部領域Ａｏに内包されていなくてもよい。
【００７０】
Ｃ−３．変形例３：
第１〜２実施例では、接触領域Ａｔを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｎおよび開口部領域Ａｏを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｋは一定のものとして説明したが、接触領域Ａｔの膜厚ｔｎおよび開口部領域Ａｏの膜厚ｔｋは、それぞれの領域の膜厚の平均値であってもよいし、最も薄い部分の値であってもよい。
【００７１】
Ｃ−４．変形例４：
第１〜２実施例では、第１の開口部領域Ａｏ１を被覆する炭素膜３１７の膜厚と、第２の開口部領域Ａｏ２を被覆する炭素膜３１７の膜厚は、ともに膜厚ｔｋとして説明したが、それぞれの膜厚は、接触領域Ａｔを被覆する炭素膜３１７の膜厚ｔｎより小さければ、互いに異なっていてもよい。
【００７２】
Ｃ−５．変形例５：
第１〜２実施例では、基材３１８の両面に接触領域Ａｔおよび開口部領域Ａｏが設定されているものとして説明したが、基材３１８の一方の面のみが生成水と接触し、他方の面が生成水と接触しない構成であれば、基材３１８の一方の面のみに接触領域Ａｔおよび開口部領域Ａｏを設定して炭素膜３１７による被覆をおこなってもよい。
【００７３】
Ｃ−６．変形例６：
第２実施例では、燃料電池１００ａは、ガス拡散層４１０、４３０を備えるものとして説明したが、燃料電池１００ａは、ガス拡散層４１０、４３０の少なくとも一方を備えていなくてもよい。この場合、接触領域Ａｔは、アノード２１４やカソード２１５と直接接触するリブ領域Ａｔ１と、アノード２１４やカソード２１５との間でガス流路を形成するガス流路領域Ａｔ２により構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１００…燃料電池
２００…シール部材一体型ＭＥＡ
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２２０…シール部材
２２５…冷却水供給用貫通孔
２２６…冷却水排出用貫通孔
３１０、３３０…セパレータ
３１１…アノードガス供給用貫通孔
３１２…アノード排ガス排出用貫通孔
３１３…カソードガス供給用貫通孔
３１４…カソード排ガス排出用貫通孔
３１５…冷却水供給用貫通孔
３１６…冷却水排出用貫通孔
３１７…炭素膜
３１８…基材
３２０、３４０…リブ
４１０、４３０…ガス拡散層
５１０、５３０…ガス流路形成部材
７００…スパッタリング装置
７１０…ターゲット
８００…プラズマＣＶＤ成膜装置
８１０…チャンバー
８１５…ガス導出部
８２０…ガス供給部
８３０…陽極板
８４０…直流電源
８５０…磁気発生部
ＳＬ…シールライン
Ａｏ…開口部領域
Ａｔ…接触領域
【図１】
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【図２】
0005668565.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005668565.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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